JP7449123B2 - Transition metal support coated with a material having micropores and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a transition metal support coated with a material having micropores and a method for producing the same.
遷移金属、その中でも特に貴金属は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム及びオスミウムの総称であって、装身具、電子材料、触媒といった様々な分野で使用されている。 Transition metals, especially noble metals, are a general term for gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and osmium, and are used in various fields such as jewelry, electronic materials, and catalysts.
貴金属を触媒に用いる場合、貴金属は微粒子の状態で使用されることが多い。これは、貴金属を微粒子にして貴金属の表面を増やすことで、触媒活性を高めるためである。また、このような貴金属の微粒子は、その広い表面を最大限生かすため、表面積の大きい担体に分散担持されるのが一般的である。このような貴金属の微粒子が担体に担持された触媒は、種々の触媒反応に高い触媒活性を示す。しかし、これを高温で使用すると、貴金属の微粒子が熱によって移動・接触することで成長する（シンタリング）。このように、従来の担体に貴金属が担持された触媒は、高温で使用したときに貴金属の表面が少なくなるという問題がある。 When noble metals are used as catalysts, they are often used in the form of fine particles. This is to increase the catalytic activity by making the noble metal into fine particles and increasing the surface area of the noble metal. Furthermore, in order to make the most of the large surface area of such fine particles of noble metals, they are generally dispersed and supported on a carrier with a large surface area. A catalyst in which noble metal fine particles are supported on a carrier exhibits high catalytic activity in various catalytic reactions. However, when used at high temperatures, the fine particles of precious metals move and come into contact with each other due to the heat, causing them to grow (sintering). As described above, conventional catalysts in which noble metals are supported on carriers have a problem in that the surface area of the noble metal decreases when used at high temperatures.
このような問題を解決する方法の一つとして、例えば、特許文献１には、ＭＦＩ構造のゼオライトの結晶内に金属粒子が内包されており、前記ゼオライトが有する細孔の平均径よりも前記金属粒子の平均粒子径の方が大きく、前記ゼオライトのサイズが50～1000nmである、金属粒子を内包したゼオライトが開示されている。これは、ゼオライト中に触媒活性を示す金属粒子が固定化されており、触媒反応はゼオライトの細孔を介して行われる。このように、ゼオライトに内包された金属粒子は、熱によって移動・接触しにくいので、高温であってもシンタリングが起きにくい。 As one method for solving such problems, for example, Patent Document 1 discloses that metal particles are encapsulated within the crystals of zeolite having an MFI structure, and the metal particles are smaller than the average diameter of the pores of the zeolite. A zeolite containing metal particles is disclosed in which the average particle diameter of the particles is larger and the size of the zeolite is 50 to 1000 nm. Metal particles exhibiting catalytic activity are immobilized in zeolite, and the catalytic reaction takes place through the pores of the zeolite. In this way, the metal particles encapsulated in zeolite are less likely to move or come into contact with each other due to heat, so sintering is less likely to occur even at high temperatures.
また、特許文献２には、フィッシャートロプシュ合成触媒の外表面がゼオライトで被覆されたカプセル触媒が開示されている。これらのカプセル触媒は、合成ガスから液体燃料を製造するフィッシャートロプシュ合成において有用な生成物であるオレフィンやイソパラフィンの選択率を向上させる。 Further, Patent Document 2 discloses a capsule catalyst in which the outer surface of a Fischer-Tropsch synthesis catalyst is coated with zeolite. These capsule catalysts improve the selectivity of olefins and isoparaffins, which are useful products in Fischer-Tropsch synthesis, which produces liquid fuels from synthesis gas.
また、特許文献３には、担体に金属粒子が担持された担持金属触媒の表面が金属粒子の粒径より小さな径の細孔を有する多孔質材で被覆された、アンモニア分解触媒が開示されている。この多孔質材の細孔内にはアンモニアが安定して吸着する。その結果、アンモニアの分解速度が向上する。 Further, Patent Document 3 discloses an ammonia decomposition catalyst in which the surface of a supported metal catalyst in which metal particles are supported on a carrier is coated with a porous material having pores having a diameter smaller than the particle size of the metal particles. There is. Ammonia is stably adsorbed within the pores of this porous material. As a result, the rate of decomposition of ammonia is improved.
このように、金属粒子の表面をゼオライト等の多孔質材で被覆した粒子は種々報告されており、担体の表面に金属粒子が担持された担持金属触媒の表面を多孔質材で被覆した粒子も報告されている。しかし、金属粒子や担体粒子の表面をこれらとは異なる物質で構成されるナノメートルオーダーの被覆層で完全に被覆することは難しい。特に、金属粒子の表面を完全に被覆することは難しかった。特許文献２には、表面がゼオライトで完全に被覆されたフィッシャートロプシュ合成触媒が開示されているが、その膜厚はマイクロメートルオーダーである。特許文献３には、Al2O3（担体）の表面にNi（金属粒子）が担持された担持金属触媒であって、その表面がZSM5（多孔質材）で被覆された粒子が開示されている（図７：電子顕微鏡写真）。この粒子は、ナノメートルオーダーの被覆層を有するが、その厚みは不均一である。更に、いくつかのNiがその表面に露出しており、この粒子の表面はZSM5で完全には被覆されていない。 In this way, various types of particles have been reported in which the surface of metal particles is coated with a porous material such as zeolite, and there are also particles in which the surface of a supported metal catalyst, in which metal particles are supported on the surface of a carrier, is coated with a porous material. It has been reported. However, it is difficult to completely cover the surfaces of metal particles and carrier particles with a nanometer-order coating layer made of a substance different from these. In particular, it was difficult to completely coat the surfaces of metal particles. Patent Document 2 discloses a Fischer-Tropsch synthesis catalyst whose surface is completely coated with zeolite, but the film thickness is on the order of micrometers. Patent Document 3 discloses a supported metal catalyst in which Ni (metal particles) is supported on the surface of Al 2 O 3 (support), and the surface is coated with ZSM5 (porous material). (Figure 7: Electron micrograph). These particles have a coating layer on the order of nanometers, but the thickness is non-uniform. Moreover, some Ni is exposed on its surface, and the surface of this particle is not completely covered with ZSM5.
本発明では、担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体の表面を、マイクロ孔を有する物質で形成されたナノメートルオーダーの被覆層で完全に被覆すること、を課題とした。 In the present invention, the surface of a transition metal carrier in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances) is covered with a nanometer-order coating formed of a material having micropores. The challenge was to completely cover it with layers.
遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理しておくことで、マイクロ孔を有する物質で形成されたナノメートルオーダーの被覆層で前記担持体の表面を完全に被覆することができる。 By treating the surface of the transition metal support with a silane coupling agent having an amino group, the surface of the support is completely covered with a nanometer-order coating layer formed of a substance having micropores. be able to.
担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体であって、その表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されており、その物質で形成された被覆層の厚さがナノメートルオーダーである、遷移金属担持体を得ることができる。 A transition metal carrier in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances), the surface of which is completely coated with a substance having micropores. A transition metal support can be obtained in which the thickness of the coating layer is on the order of nanometers.
［本発明の製造方法の概要］
本発明は、
［１］担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体を準備する工程、
［２］Si原料と構造規定剤とを混合してマイクロ孔を有する物質を準備する工程、
［３］前記遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理して、表面処理体を調製する工程、
［４］前記表面処理体の表面を前記マイクロ孔を有する物質で被覆する工程、
を備えた、マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体の製造方法（以下、「本発明の製造方法」ともいう。）を含む。本発明の製造方法を用いることで、マイクロ孔を有する物質で形成されたナノメートルオーダーの被覆層で表面が完全に被覆された遷移金属担持体を得ることができる。その理由は、以下のように推測される。
本発明の製造方法では、担体粒子の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体の表面を被覆する物質として、Siを含みマイクロ孔を有する物質を用いる。更に、遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理する。このように、被覆する物質（Siを含みマイクロ孔を有する物質）と被覆される物質（遷移金属担持体）の表面を同じ元素を含む化合物で統一することで、遷移金属担持体の表面が前記物質で被覆されやすくなったものと考えられる。更に、表面の被覆が難しい遷移金属粒子についても、アミノ基を有するシランカップリング剤を用いて表面処理すると、前記物質で被覆されやすくなる。これは、シランカップリング剤に含まれるアミノ基が遷移金属粒子に配位することで、遷移金属粒子の表面にシランカップリング剤が安定して存在できるようになったためと考えられる。このような理由から、前記物質で構成されたナノメートルオーダーの被覆層で遷移金属担持体の表面を完全に被覆することができると考えられる。参考までに、発明者が考えた本発明の製造方法のイメージの一例を図１に記す。なお、本発明の製造方法は、このイメージに限定されるものではない。
[Summary of the manufacturing method of the present invention]
The present invention
[1] A step of preparing a transition metal carrier in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances);
[2] A step of preparing a material having micropores by mixing a Si raw material and a structure-directing agent;
[3] Surface-treating the surface of the transition metal support with a silane coupling agent having an amino group to prepare a surface-treated body;
[4] a step of coating the surface of the surface-treated body with the substance having micropores;
(hereinafter also referred to as "the manufacturing method of the present invention"). By using the production method of the present invention, it is possible to obtain a transition metal support whose surface is completely covered with a nanometer-order coating layer made of a substance having micropores. The reason is assumed to be as follows.
In the manufacturing method of the present invention, a material containing Si and having micropores is used as a material that coats the surface of a transition metal carrier on which transition metal particles are supported. Furthermore, the surface of the transition metal support is treated with a silane coupling agent having an amino group. In this way, by unifying the surfaces of the covering material (substance containing Si and having micropores) and the covering material (transition metal support) with a compound containing the same element, the surface of the transition metal support can be It is thought that it became more easily coated with substances. Furthermore, transition metal particles whose surfaces are difficult to coat can be easily coated with the substance by surface treatment using a silane coupling agent having an amino group. This is thought to be because the amino group contained in the silane coupling agent coordinates with the transition metal particles, allowing the silane coupling agent to stably exist on the surface of the transition metal particles. For these reasons, it is considered that the surface of the transition metal support can be completely covered with a nanometer-order coating layer made of the above-mentioned substance. For reference, an example of the image of the manufacturing method of the present invention conceived by the inventor is shown in FIG. Note that the manufacturing method of the present invention is not limited to this image.
［先行技術との対比］
本発明の製造方法は、前述の特許文献１に記載された製造方法と比較して、「前記遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理して表面処理体を調製する工程」を含むという点で少なくとも相違する。特許文献１に記載された製造方法では、金属粒子をSiO2層で被覆した後、この層をゼオライトに転換している。特許文献１の製造方法は、本発明の製造方法のように担体粒子を含んでいないので、本発明の製造方法のようにアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理する工程を含まなくとも、金属粒子の表面を完全にゼオライトで被覆することができる。したがって、本発明の製造方法のような、遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理することでSiを含みマイクロ孔を有する物質を被覆しやすくするという技術思想は、特許文献１に開示されていない。
また、本発明の製造方法は、前述の特許文献２に記載された製造方法と比較して、「前記遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理して表面処理体を調製する工程」を含むという点で少なくとも相違する。特許文献２に記載された製造方法には、アルミナ担体および当該アルミナ担体に担持されたコバルトを有するフィッシャートロプシュ合成触媒と、前記フィッシャートロプシュ合成触媒の外表面に形成されたベータゼオライト膜とを有する触媒の製造方法が開示されている。そして、これらの製造方法で得られた触媒の表面は、ベータゼオライト膜で完全に被覆されている。しかし、このゼオライト膜が、4～20μmと厚くなってしまう。一方、本発明の製造方法は、遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理する工程を含むので、この担持体の表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆される。
また、本発明の製造方法は、前述の特許文献３に記載された製造方法と比較して、「前記遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理して表面処理体を調製する工程」を含むという点で少なくとも相違する。特許文献３に記載された製造方法には、担体粒子の表面に金属粒子が担持された担持体を多孔質体（ゼオライト）で被覆する製造方法が開示されている。しかし、特許文献３の製造方法で得られる担持体の表面に形成された多孔質層は、不均一であり（例えば、図７に記載された実施例１のZSM5/Ni/Al2O3の電子顕微鏡写真）、必ずしも担持体の表面が多孔質体で完全に被覆されているとはいえない。一方、本発明の製造方法では、遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理する工程を含むので、この担持体の表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆される。
[Comparison with prior art]
The manufacturing method of the present invention is different from the manufacturing method described in Patent Document 1 mentioned above, in that ``the surface of the transition metal support is surface-treated with a silane coupling agent having an amino group to prepare a surface-treated body. They differ at least in that they include the step of "doing." In the manufacturing method described in Patent Document 1, metal particles are coated with two layers of SiO 2 and then this layer is converted into zeolite. Since the production method of Patent Document 1 does not include carrier particles like the production method of the present invention, it does not include the step of surface treatment with a silane coupling agent having an amino group like the production method of the present invention. The surface of metal particles can be completely coated with zeolite. Therefore, the technical idea of making it easier to coat a substance containing Si and having micropores by treating the surface of a transition metal support with a silane coupling agent having an amino group, as in the production method of the present invention, is as follows: It is not disclosed in Patent Document 1.
Furthermore, in comparison with the manufacturing method described in Patent Document 2 mentioned above, the manufacturing method of the present invention is characterized in that ``the surface of the transition metal support is surface-treated with a silane coupling agent having an amino group to form a surface-treated product. They differ at least in that they include a step of preparing a The production method described in Patent Document 2 includes a catalyst having an alumina carrier, a Fischer-Tropsch synthesis catalyst having cobalt supported on the alumina carrier, and a beta zeolite membrane formed on the outer surface of the Fischer-Tropsch synthesis catalyst. A manufacturing method is disclosed. The surface of the catalyst obtained by these production methods is completely covered with a beta zeolite membrane. However, this zeolite membrane becomes thick, ranging from 4 to 20 μm. On the other hand, the production method of the present invention includes a step of treating the surface of the transition metal support with a silane coupling agent having an amino group, so that the surface of the support is completely covered with a substance having micropores. .
Furthermore, in comparison with the manufacturing method described in Patent Document 3 mentioned above, the manufacturing method of the present invention is characterized in that ``the surface of the transition metal support is surface-treated with a silane coupling agent having an amino group to form a surface-treated product. They differ at least in that they include a step of preparing a The manufacturing method described in Patent Document 3 discloses a manufacturing method in which a carrier having metal particles supported on the surface of the carrier particles is coated with a porous material (zeolite). However, the porous layer formed on the surface of the support obtained by the manufacturing method of Patent Document 3 is non-uniform (for example, the porous layer of ZSM5/Ni/Al 2 O 3 of Example 1 described in FIG. (electron micrograph), it cannot be said that the surface of the carrier is completely covered with the porous material. On the other hand, the production method of the present invention includes a step of treating the surface of the transition metal support with a silane coupling agent having an amino group, so that the surface of the support is completely covered with a substance having micropores. .
以下、本発明の製造方法の実施形態について、詳述する。 Hereinafter, embodiments of the manufacturing method of the present invention will be described in detail.
［遷移金属担持体を準備する工程］
この工程では、担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体を準備する。このような遷移金属担持体を準備する方法として、例えば、遷移金属粒子が分散した分散液中に担体粒子を添加する方法で準備することができる。このとき、粉末状の担体粒子をこの分散液に添加してもよいし、担体粒子が分散した分散液を添加してもよい。また、遷移金属化合物の水溶液中に担体粒子を添加し、乾燥、焼成することによっても遷移金属担持体を準備することができる。この場合、必要によって焼成の後に還元処理を施してもよい。
[Step of preparing transition metal support]
In this step, a transition metal carrier is prepared in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances). Such a transition metal carrier can be prepared, for example, by adding carrier particles to a dispersion liquid in which transition metal particles are dispersed. At this time, powdered carrier particles may be added to this dispersion, or a dispersion in which carrier particles are dispersed may be added. Further, a transition metal support can also be prepared by adding carrier particles to an aqueous solution of a transition metal compound, drying and firing. In this case, reduction treatment may be performed after firing if necessary.
この工程で用いる担体粒子は、Si、Al、Ti、Mg、P、Ca、Znから選ばれる少なくとも１種類の元素を含む化合物であることが好ましい。但し、本発明における担体粒子は、ゼオライト又はゼオライト類似物質を含まない。ここで、ゼオライトとは、多孔質結晶性アルミノケイ酸塩及びメタロケイ酸塩を指すものとする。また、ゼオライト類似物質とは、前述のゼオライト以外で同様な構造を持つリン酸塩系多孔質結晶などをゼオライト類似物質とする（小野嘉夫・八嶋建明編「ゼオライトの科学と工学」、講談社、2000年7月10日発行）。これらの元素を含む化合物は、シランカップリング剤との相性が良いので、その表面にシランカップリング剤を安定して存在させることができる。更に、前述の化合物の中でも比表面積が大きい化合物がより好ましい。化合物の具体例としては、シリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、リン酸化物、酸化カルシウム、酸化亜鉛またはこれらの複合酸化物であってもよい。シリカ、アルミナ、チタニア又はこれらの複合酸化物は、シランカップリング剤との相性が良いので、特に好ましい。担体粒子のサイズは、10nm≦サイズ≦100,000nmの範囲にあることが好ましく、10nm≦サイズ≦10,000nmの範囲にあることがより好ましく、10nm≦サイズ≦100nm以下であることが特に好ましい。担体のサイズが前述の範囲にあることで、遷移金属粒子が担体粒子の表面に分散した状態で担持されやすくなる。なお、担体粒子のサイズの測定方法は、実施例に記す。 The carrier particles used in this step are preferably a compound containing at least one element selected from Si, Al, Ti, Mg, P, Ca, and Zn. However, the carrier particles in the present invention do not contain zeolite or zeolite-like substances. Here, zeolite refers to porous crystalline aluminosilicates and metallosilicates. In addition, zeolite-like substances include phosphate-based porous crystals that have a similar structure other than the aforementioned zeolites (Yoshio Ono and Takeaki Yashima, eds., "Science and Engineering of Zeolites", Kodansha, 2000). Published on July 10th). Compounds containing these elements have good compatibility with the silane coupling agent, so the silane coupling agent can be stably present on the surface thereof. Further, among the above-mentioned compounds, a compound having a large specific surface area is more preferable. Specific examples of the compound include silica, alumina, titania, magnesia, phosphorous oxide, calcium oxide, zinc oxide, or composite oxides thereof. Silica, alumina, titania, or composite oxides thereof are particularly preferred because they have good compatibility with the silane coupling agent. The size of the carrier particles is preferably in the range 10 nm≦size≦100,000 nm, more preferably in the range 10 nm≦size≦10,000 nm, particularly preferably 10 nm≦size≦100 nm. When the size of the carrier is within the above range, the transition metal particles are easily supported in a dispersed state on the surface of the carrier particles. Note that the method for measuring the size of carrier particles is described in Examples.
この工程で担体粒子の表面に担持される遷移金属粒子は、周期表で第3族元素から第11族元素の間に存在する元素の1種類以上を含む粒子を指すものである。遷移金属粒子の中でも、特に、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osから選ばれる少なくとも１種の元素を含む貴金属粒子であることが好ましい。この貴金属粒子の中でも、Pt、Pd、Rh、Ruから選ばれる少なくとも１種の元素を含む粒子であることが特に好ましい。これらの元素は、例えば、炭化水素の水素化反応に用いる触媒の活性成分として好適である。なお、前述の遷移金属粒子は、金属単体であってもよく、化合物であってもよい。化合物としては、例えば、酸化物でもよく、また配位子を含む錯体であってもよい。また、前述の遷移金属粒子のサイズは、0.3nm≦サイズ≦20nmの範囲にあることが好ましく、0.5nm≦サイズ≦10nmの範囲にあることがより好ましく、1nm≦サイズ≦5nmの範囲にあることが特に好ましい。このサイズが小さいほど、遷移金属粒子の表面積が増加するので、これを触媒の活性成分として用いると高い活性が期待できる。
なお、遷移金属粒子のサイズの測定方法は、実施例に記す。
The transition metal particles supported on the surface of the carrier particles in this step refer to particles containing one or more types of elements existing between Group 3 elements and Group 11 elements in the periodic table. Among transition metal particles, noble metal particles containing at least one element selected from Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os are particularly preferred. Among these noble metal particles, particles containing at least one element selected from Pt, Pd, Rh, and Ru are particularly preferred. These elements are suitable, for example, as active components of catalysts used in hydrocarbon hydrogenation reactions. Note that the above-mentioned transition metal particles may be a single metal or a compound. The compound may be, for example, an oxide or a complex containing a ligand. Further, the size of the transition metal particles described above is preferably in the range of 0.3 nm≦size≦20 nm, more preferably in the range of 0.5 nm≦size≦10 nm, and preferably in the range of 1 nm≦size≦5 nm. is particularly preferred. As the size of the transition metal particles becomes smaller, the surface area of the transition metal particles increases, so when these particles are used as an active component of a catalyst, high activity can be expected.
Note that the method for measuring the size of transition metal particles is described in Examples.
［マイクロ孔を有する物質を合成する工程］
この工程では、Si原料と構造規定剤とを混合してマイクロ孔を有する物質を合成する。この工程では、Si原料またはこれらから調製されたポリケイ酸イオンが構造規定剤の周囲に配位することで、マイクロ孔を有する物質が合成される。この物質はゼオライトの前駆体またはごく微小なゼオライトのような物質であって、これを特定の条件下で結晶化するとゼオライトになる。本発明の製造方法では、このような物質で遷移金属担持体の表面が被覆される。
[Step of synthesizing a substance with micropores]
In this step, a material having micropores is synthesized by mixing a Si raw material and a structure-directing agent. In this step, a material having micropores is synthesized by coordinating Si raw materials or polysilicate ions prepared from these materials around a structure-directing agent. This substance is a zeolite precursor or a microscopic zeolite-like substance, which becomes zeolite when crystallized under certain conditions. In the production method of the present invention, the surface of the transition metal support is coated with such a substance.
この工程では、Si原料として、例えば、ケイ酸ナトリウム、オルトケイ酸テトラエチル、シリカゾル等の従来公知の原料を使用することができる。ケイ酸ナトリウムやオルトケイ酸テトラエチル等のアルコキシドを原料として用いる場合は、これらの化合物からポリケイ酸イオンを調製することが好ましい。例えば、ケイ酸ナトリウムを水溶液に溶解した後、イオン交換樹脂等を使用してアルカリを除去する方法でポリケイ酸イオンを調製することができる。また、オルトケイ酸テトラエチル等のアルコキシドを加水分解してポリケイ酸イオンを調製することもできる。 In this step, conventionally known raw materials such as sodium silicate, tetraethyl orthosilicate, and silica sol can be used as Si raw materials. When alkoxides such as sodium silicate and tetraethyl orthosilicate are used as raw materials, it is preferable to prepare polysilicate ions from these compounds. For example, polysilicate ions can be prepared by dissolving sodium silicate in an aqueous solution and then removing alkali using an ion exchange resin or the like. Moreover, polysilicate ions can also be prepared by hydrolyzing alkoxides such as tetraethyl orthosilicate.
この工程では、構造規定剤として、ゼオライト合成の分野で使用されている従来公知の構造規定剤を使用することができる。例えば、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド等を使用することができる。また、Na、K、Liといったアルカリ金属や、Ca、Baといったアルカリ土類金属も使用することができる。この工程で用いる構造規定剤は、Si原料に含まれるSiの物質量（SiO2換算）と構造規定剤に含まれる水酸化物イオンの物質量の比で、0.05＜OH/SiO2＜1.0の範囲となるように添加されることが好ましく、0.15＜OH/SiO2＜0.5の範囲となるように添加されることがより好ましい。構造規定剤の添加量が多すぎても少なすぎても、マイクロ孔を有する物質が合成されにくくなるため、前述の範囲内にあることが好ましい。 In this step, a conventionally known structure-directing agent used in the field of zeolite synthesis can be used as the structure-directing agent. For example, tetrapropylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide, etc. can be used. Furthermore, alkali metals such as Na, K, and Li, and alkaline earth metals such as Ca and Ba can also be used. The structure-directing agent used in this step has a ratio of the amount of Si contained in the Si raw material (in terms of SiO 2 ) to the amount of hydroxide ions contained in the structure-directing agent, and is 0.05<OH/SiO 2 <1.0. It is preferable that it is added so that the range of 0.15<OH/SiO 2 <0.5 is satisfied. If the amount of the structure-directing agent added is too large or too small, it becomes difficult to synthesize a substance having micropores, so it is preferably within the above-mentioned range.
この工程では、Si原料としてアルコキシドを使用する場合、Si原料と構造規定剤とを水溶液中で混合することが好ましい。また、これらを混合する際の温度は、10℃≦温度≦40℃の範囲にあることが好ましく、15℃≦温度≦35℃の範囲にあることがより好ましい。また、この温度範囲において、10hr≦時間≦100hrの範囲で保持することが好ましい。これらを混合すると、アルコキシドの加水分解によって形成されたポリケイ酸イオンが構造規定剤の周囲に配位する。このとき、温度が低すぎるとアルコキシドの加水分解が進行せず、温度が高すぎるとポリケイ酸イオンの縮合が進行して粒子サイズが大きくなってしまうため、前述の範囲内にあることが好ましい。このとき、時間が短すぎるとアルコキシドの加水分解およびポリケイ酸イオンの構造規定剤の周囲への配位が十分でない。時間が長くても問題はないが、混合中の溶媒の蒸発により溶液組成が変化したり、工業的に取り扱いにくいといった問題点があるため、前述の範囲内にあることが好ましい。また、混合が終了した後、更に、熟成することが好ましい。熟成する際の温度は、50℃≦温度≦90℃の範囲にあることが好ましく、50hr≦時間≦300hrの範囲で保持することが好ましい。熟成中に構造規定剤の周囲に配位したポリケイ酸イオンがゼオライトに近い構造へと変化し、マイクロ孔を有する物質が形成される。このとき、熟成温度が低すぎたり時間が短すぎると構造変化が十分でなく、熟成温度が高すぎたり時間が長すぎるとマイクロ孔を有する物質同士が結合し、粗大なゼオライト粒子が生成することがあるので、前述の範囲内にあることが好ましい。特に、粗大なゼオライト粒子が生成すると、ナノメートルオーダーの被覆層を形成することが難しくなる。 In this step, when an alkoxide is used as the Si raw material, it is preferable to mix the Si raw material and the structure directing agent in an aqueous solution. Further, the temperature at which these are mixed is preferably in the range of 10°C≦temperature≦40°C, and more preferably in the range of 15°C≦temperature≦35°C. Further, in this temperature range, it is preferable to maintain the temperature within the range of 10 hr≦time≦100 hr. When these are mixed, polysilicate ions formed by hydrolysis of the alkoxide are coordinated around the structure directing agent. At this time, if the temperature is too low, hydrolysis of the alkoxide will not proceed, and if the temperature is too high, condensation of polysilicate ions will proceed and the particle size will increase, so it is preferably within the above range. At this time, if the time is too short, the hydrolysis of the alkoxide and the coordination of the polysilicate ion around the structure directing agent will not be sufficient. Although there is no problem even if the time is long, there are problems such as a change in the solution composition due to evaporation of the solvent during mixing and difficulty in handling industrially, so it is preferable that the time be within the above-mentioned range. Moreover, it is preferable to further ripen the mixture after the mixing is completed. The temperature during aging is preferably maintained in the range of 50°C≦temperature≦90°C, and preferably maintained in the range of 50hr≦time≦300hr. During aging, polysilicate ions coordinated around the structure-directing agent change to a structure similar to that of zeolite, forming a material with micropores. At this time, if the aging temperature is too low or the aging time is too short, the structural change will not be sufficient, and if the aging temperature is too high or the aging time is too long, substances with micropores will bond with each other and coarse zeolite particles will be produced. Therefore, it is preferable that it be within the above range. In particular, when coarse zeolite particles are generated, it becomes difficult to form a coating layer on the order of nanometers.
この工程では、Si原料と併せてAl原料やTi原料を添加することができる。Al原料は、例えば、硫酸アルミニウム、塩基性塩化アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、アルミナゾル等の従来公知の原料を使用することができる。Ti原料は、四塩化チタン、硫酸チタニル、オルトチタン酸テトライソプロピル、チタニアゾル等の従来公知の原料を使用することができる。Si原料と併せてこれらの原料を添加することで、マイクロ孔を有する物質の特性を変化させることができる。例えば、この物質に固体酸性を付与したり、マイクロ孔のサイズをある程度コントロールすることもできる。 In this step, an Al raw material or a Ti raw material can be added in addition to the Si raw material. As the Al raw material, conventionally known raw materials such as aluminum sulfate, basic aluminum chloride, aluminum isopropoxide, and alumina sol can be used. As the Ti raw material, conventionally known raw materials such as titanium tetrachloride, titanyl sulfate, tetraisopropyl orthotitanate, titania sol, etc. can be used. By adding these raw materials together with the Si raw material, the properties of the material having micropores can be changed. For example, it is possible to impart solid acidity to this material and to control the size of micropores to some extent.
［表面処理体を調製する工程］
この工程では、遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理して、表面処理担体が調製される。例えば、遷移金属担持体の分散液中にアミノ基を有するシランカップリング剤を適量添加して、そのまま撹拌混合することで、遷移金属担持体を表面処理することができる。
[Step of preparing surface treated body]
In this step, the surface of the transition metal support is treated with a silane coupling agent having an amino group to prepare a surface-treated support. For example, the transition metal support can be surface-treated by adding an appropriate amount of a silane coupling agent having an amino group to a dispersion of the transition metal support and stirring and mixing the mixture as it is.
この工程では、アミノ基を有するシランカップリング剤として、Ｎ－２－（アミノエチル）－３－アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ－２－（アミノエチル）－３－アミノプロピルトリメトキシシラン、３－アミノプロピルトリメトキシシラン、３－アミノプロピルトリエトキシシラン、トリメトキシ［３－（フェニルアミノ）プロピルシラン］等を使用することができる。遷移金属担持体の表面をこれらのシランカップリング剤であらかじめ表面処理しておくことで、その表面がマイクロ孔を有する物質で被覆されやすくなる。 In this step, as a silane coupling agent having an amino group, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3- Aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, trimethoxy [3-(phenylamino)propylsilane], etc. can be used. By preliminarily treating the surface of the transition metal support with these silane coupling agents, the surface can be easily coated with a substance having micropores.
この工程で用いるアミノ基を有するシランカップリング剤の添加量は、遷移金属担持体の質量に対するシランカップリング剤の質量として、0.1質量％≦添加量≦100質量%の範囲にあることが好ましく、0.1質量%≦添加量≦10質量%の範囲にあることがより好ましい。シランカップリング剤が少なすぎると表面処理効果が十分でなく、多すぎると遷移金属担持体の表面に吸着しなかったシランカップリング剤が溶媒中に存在し、溶媒中でマイクロ孔を有する物質と反応してしまうため好ましくない。 The amount of the silane coupling agent having an amino group used in this step is preferably in the range of 0.1% by mass ≦ amount ≦ 100% by mass, based on the mass of the silane coupling agent with respect to the mass of the transition metal support. More preferably, the range is 0.1% by mass≦addition amount≦10% by mass. If the silane coupling agent is too small, the surface treatment effect will not be sufficient, and if the silane coupling agent is too large, the silane coupling agent that has not been adsorbed to the surface of the transition metal support will be present in the solvent, resulting in the formation of substances with micropores in the solvent. This is not desirable because it will cause a reaction.
この工程では、遷移金属担持体とアミノ基を有するシランカップリング剤とを混合する際の温度は、10℃≦温度≦40℃の範囲にあることが好ましく、15℃≦温度≦35℃の範囲にあることがより好ましい。また、この温度範囲において、0.1hr≦時間＜2hrの範囲で保持することが好ましい。温度が低すぎると遷移金属担持体表面とシランカップリング剤との反応が十分でなく、温度が高すぎると溶媒中でシランカップリング剤同士が反応してしまう可能性がある。保持時間が短すぎると遷移金属担持体表面とシランカップリング剤との反応が十分でなく、保持時間が長すぎると遷移金属担持体表面に吸着したシランカップリング剤が不活性化してしまう可能性がある。そのため、前述の範囲にあることが好ましい。 In this step, the temperature at which the transition metal support and the silane coupling agent having an amino group are mixed is preferably in the range of 10°C≦temperature≦40°C, and in the range of 15°C≦temperature≦35°C. It is more preferable that the Further, in this temperature range, it is preferable to maintain the temperature within the range of 0.1 hr≦time<2 hr. If the temperature is too low, the reaction between the surface of the transition metal support and the silane coupling agent may not be sufficient, and if the temperature is too high, the silane coupling agents may react with each other in the solvent. If the holding time is too short, the reaction between the transition metal support surface and the silane coupling agent may not be sufficient, and if the holding time is too long, the silane coupling agent adsorbed on the transition metal support surface may be inactivated. There is. Therefore, it is preferable that it be within the above range.
［マイクロ孔を有する物質で被覆する工程］
この工程では、マイクロ孔を有する物質で表面処理体の表面が被覆される。例えば、表面処理体の分散液中にマイクロ孔を有する物質を添加する方法で、表面処理体の表面を被覆することができる。
[Process of coating with a substance having micropores]
In this step, the surface of the surface-treated body is coated with a substance having micropores. For example, the surface of the surface-treated body can be coated by adding a substance having micropores to a dispersion of the surface-treated body.
この工程では、前述の工程で得られたマイクロ孔を有する物質と、表面処理体とが混合される。このとき、これらの物質は水溶液中で混合されることが好ましい。このときの混合物の温度は、20℃≦温度≦100℃の範囲にあることが好ましい。更に、この温度範囲で混合物の温度を維持しつつ、酸溶液を添加することが好ましい。ここで、酸溶液を添加する理由は、マイクロ孔を有する物質を遷移金属担持体の表面に固定化させるためである。前述の工程で得られたマイクロ孔を有する物質は、構造規定剤周囲に配位したポリケイ酸イオンがゼオライトに近い構造へと変化し、表面にある程度の水酸基を有する状態となっている。この工程で酸溶液が添加されると、表面水酸基の脱水縮合が促進される。この際に、シランカップリング剤で表面を処理した遷移金属担持体が存在すると、その表面にマイクロ孔を有する物質が固定化される。このような方法を用いることで、表面処理体の表面をマイクロ孔を有する物質で隙間なく覆うことができる。更に、この被覆された表面処理体をろ過や遠心分離等で取り出したものをドライゲルコンバージョン処理することで、被覆層の表面を平滑化することもできる。これは、被覆層においてマイクロ孔を有する物質が溶解・再析出を繰り返すことで、その表面が平滑化されていくためと考えられる。なお、ドライゲルコンバージョンは、一般的に、水蒸気、例えば加圧水蒸気を用いて気相でゼオライトの結晶化を促す方法であって、図３のような方法で実施される。ドライゲルコンバージョンは、80℃≦温度≦180℃の温度範囲かつ1hr≦時間≦48hrの範囲で実施されることが好ましい。温度が低すぎたり時間が短すぎるとマイクロ孔を有する物質の溶解・再析出が十分でなく、平滑化が進まないことがある。温度が高すぎたり時間が長すぎるとマイクロ孔を有する物質の溶解・再析出が進みすぎて、遷移金属粒子の表面が露出してしまう可能性がある。したがって、その反応条件は、前述の範囲内にあることが好ましい。このように遷移金属担持体の被覆層が平滑化されることで、被覆層の割れかけが起こりにくくなる。また、被覆層から遷移金属担持体までの距離が均一化されるので、触媒として用いたときの触媒反応が均一に起こりやすい。 In this step, the substance having micropores obtained in the above step and the surface treated body are mixed. At this time, these substances are preferably mixed in an aqueous solution. The temperature of the mixture at this time is preferably in the range of 20°C≦temperature≦100°C. Furthermore, it is preferable to add the acid solution while maintaining the temperature of the mixture within this temperature range. Here, the reason for adding the acid solution is to immobilize the substance having micropores on the surface of the transition metal support. In the material having micropores obtained in the above step, the polysilicate ions coordinated around the structure-directing agent change to a structure similar to that of zeolite, and the material has a certain amount of hydroxyl groups on the surface. When an acid solution is added in this step, dehydration condensation of surface hydroxyl groups is promoted. At this time, if a transition metal support whose surface has been treated with a silane coupling agent is present, a substance having micropores is immobilized on its surface. By using such a method, the surface of the surface-treated body can be covered with a substance having micropores without any gaps. Furthermore, the surface of the coating layer can be smoothed by dry gel conversion treatment of the coated surface-treated body taken out by filtration, centrifugation, etc. This is thought to be because the substance having micropores in the coating layer repeatedly dissolves and re-precipitates, thereby smoothing the surface. Note that dry gel conversion is generally a method of promoting crystallization of zeolite in a gas phase using water vapor, for example, pressurized water vapor, and is carried out as shown in FIG. 3. The dry gel conversion is preferably performed in a temperature range of 80°C≦temperature≦180°C and in a range of 1hr≦time≦48hr. If the temperature is too low or the time is too short, the substance having micropores may not be sufficiently dissolved and reprecipitated, and smoothing may not proceed. If the temperature is too high or the time is too long, the material having micropores will dissolve and redeposit too much, and the surface of the transition metal particles may be exposed. Therefore, the reaction conditions are preferably within the aforementioned range. By smoothing the coating layer of the transition metal support in this way, the coating layer is less likely to crack. Furthermore, since the distance from the coating layer to the transition metal support is made uniform, the catalytic reaction tends to occur uniformly when used as a catalyst.
前述の工程を経て得られた担持体は、マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体であって、マイクロ孔中に構造規定剤が残留している。この構造規定剤が有機化合物である場合は、この担持体を空気中で焼成することで、残留している構造規定剤を除去することができる。例えば、400℃≦温度≦700℃の温度領域で、1hr≦時間≦24hrの範囲で焼成するとよい。この構造規定剤が無機化合物である場合は、イオン交換樹脂に通過させる等の方法で除去することができる。 The support obtained through the above steps is a transition metal support coated with a substance having micropores, and the structure-directing agent remains in the micropores. When the structure-directing agent is an organic compound, the remaining structure-directing agent can be removed by firing the carrier in air. For example, it is preferable to bake in a temperature range of 400°C≦temperature≦700°C and in a range of 1hr≦time≦24hr. If this structure-directing agent is an inorganic compound, it can be removed by passing it through an ion exchange resin or the like.
［本発明の担持体の概要］
本発明は、
［Ａ］担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体を含み、
［Ｂ］前記遷移金属担持体の表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されており、
［Ｃ］前記マイクロ孔を有する物質が、Siを含む化合物であり、
［Ｄ］前記マイクロ孔を有する物質で形成された被覆層の厚さが、1nm≦厚さ≦100nmの範囲にある、
マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体（以下、「本発明の担持体」ともいう。）、を含む。本発明の担持体は、その表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されているので、マイクロ孔より大きいサイズの分子は通さず、これより小さいサイズの分子を通過させることができる。例えば、この特徴を利用して、被毒物質などから触媒反応の活性種となる遷移金属粒子を保護しつつ、触媒反応に関係する物質のみ反応させることができる。また、例えば、本発明の担持体に含まれる遷移金属粒子は、担体粒子の表面に担持されているので、遷移金属粒子と担体粒子との相互作用の効果を享受することができる。この特徴を利用して、遷移金属粒子が活性種となる触媒反応において、高い触媒性能が期待できる。更に、本発明の担持体は、前記マイクロ孔を有する物質で形成された被覆層の厚さが1nm≦厚さ≦100nmと極めて薄いので、触媒反応に関係する物質が被覆層の表面から遷移金属担持体まで到達する距離も短くなる。したがって、本発明の担持体は、その触媒反応速度が低下しにくいという特徴も有している。参考までに、発明者が考えた本発明の担持体のイメージの一例を図２に記す。なお、本発明の担持体は、このイメージに限定されるものではない。
[Overview of carrier of the present invention]
The present invention
[A] Contains a transition metal carrier in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances),
[B] The surface of the transition metal support is completely covered with a substance having micropores,
[C] The substance having micropores is a compound containing Si,
[D] The thickness of the coating layer formed of the material having micropores is in the range of 1 nm≦thickness≦100 nm.
It includes a transition metal support coated with a substance having micropores (hereinafter also referred to as "the support of the present invention"). Since the surface of the support of the present invention is completely covered with a substance having micropores, molecules larger than the micropores are not allowed to pass therethrough, but molecules smaller than the micropores are allowed to pass therethrough. For example, by utilizing this feature, it is possible to protect transition metal particles, which are active species in a catalytic reaction, from poisonous substances and the like, while allowing only substances related to the catalytic reaction to react. Further, for example, since the transition metal particles contained in the carrier of the present invention are supported on the surface of the carrier particles, it is possible to enjoy the effect of interaction between the transition metal particles and the carrier particles. Utilizing this feature, high catalytic performance can be expected in catalytic reactions in which transition metal particles serve as active species. Furthermore, in the support of the present invention, the thickness of the coating layer formed of the substance having micropores is extremely thin, ie, 1 nm≦thickness≦100 nm, so that substances related to the catalytic reaction can be removed from the surface of the coating layer by the transition metal. The distance to reach the carrier is also shortened. Therefore, the support of the present invention also has the characteristic that the catalytic reaction rate is not easily reduced. For reference, an example of the image of the carrier of the present invention conceived by the inventor is shown in FIG. Note that the carrier of the present invention is not limited to this image.
［先行技術との対比］
本発明の担持体は、前述の特許文献１に記載された金属粒子を内包したゼオライトと比較して、「担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体を含む。」という点で少なくとも相違する。特許文献１に記載されたゼオライトに内包された金属粒子は、担体粒子の表面に担持されていないので、金属粒子と担体との相互作用の効果を享受することができていない。これに対して、本発明の担持体は、担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く）の表面に遷移金属粒子が担持された状態で、更にマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されているので、遷移金属粒子と担体粒子との相互作用の効果を十分に享受することができる。
また、本発明の担持体は、前述の特許文献２に記載されたカプセル触媒と比較して、「前記マイクロ孔を有する物質で形成された被覆層の厚さが、1nm≦厚さ≦100nmの範囲にある。」という点で少なくとも相違する。特許文献２に記載された触媒は、フィッシャートロプシュ合成触媒とその外表面に被覆されたゼオライトとを有しているが、ゼオライトの膜厚は4～20μmと厚い。そのため、被毒物質などから触媒反応の活性種となる遷移金属粒子を保護しつつ、触媒反応に関係する物質のみ反応させるといった用途を想定した場合に、ゼオライト膜が厚すぎて触媒反応に関係する物質が活性種となる遷移金属粒子に拡散するまでに時間がかかり、反応速度が低下しやすい。これに対して、本発明の担持体は、前記マイクロ孔を有する物質で形成された被覆層の厚さが1nm≦厚さ≦100nmと薄いため、反応速度の低下を最小限に抑えつつ、被覆の効果を最大限に享受することができる。
また、本発明の担持体は、前述の特許文献３に記載されたアンモニア分解触媒と比較して、「前記遷移金属担持体の表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されている。」という点で少なくとも相違する。特許文献３に記載されたアンモニア分解触媒は、アンモニア分解能を有する金属粒子と、前記金属粒子の粒径よりも小さな径の細孔を有しかつ前記金属粒子と接触する多孔質材料とを有している。しかし、前述の通り、特許文献３の製造方法で得られる担持体の表面に形成された多孔質層は、不均一であり、必ずしも担持体の表面が完全に被覆されているとは言えない。これに対して、本発明の担持体は、その表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されているので、被覆の効果を最大限に享受することができる。
[Comparison with prior art]
Compared to the zeolite encapsulating metal particles described in Patent Document 1, the support of the present invention is characterized in that transition metal particles are supported on the surface of the support particles (excluding zeolite or zeolite-like substances). It differs at least in that it contains a transition metal support that is The metal particles encapsulated in the zeolite described in Patent Document 1 are not supported on the surface of the carrier particles, and therefore cannot enjoy the effects of the interaction between the metal particles and the carrier. On the other hand, the support of the present invention has transition metal particles supported on the surface of the support particles (excluding zeolite or zeolite-like substances) and is further completely coated with a substance having micropores. Therefore, the effect of the interaction between the transition metal particles and the carrier particles can be fully enjoyed.
In addition, compared to the capsule catalyst described in Patent Document 2, the support of the present invention has the advantage that "the thickness of the coating layer formed of the material having micropores is 1 nm≦thickness≦100 nm. At least the difference is that it is within the range. The catalyst described in Patent Document 2 includes a Fischer-Tropsch synthesis catalyst and zeolite coated on its outer surface, but the zeolite film has a thick film thickness of 4 to 20 μm. Therefore, when the zeolite membrane is intended to be used to protect transition metal particles, which are active species in catalytic reactions, from poisonous substances and react only with substances related to catalytic reactions, the zeolite membrane is too thick and may cause problems related to catalytic reactions. It takes time for the substance to diffuse into transition metal particles that serve as active species, and the reaction rate tends to decrease. On the other hand, in the support of the present invention, the thickness of the coating layer formed of the substance having micropores is as thin as 1 nm≦thickness≦100 nm. You can enjoy the effects to the fullest.
Furthermore, compared to the ammonia decomposition catalyst described in the above-mentioned Patent Document 3, the support of the present invention is characterized in that "the surface of the transition metal support is completely covered with a substance having micropores." They differ in at least some respects. The ammonia decomposition catalyst described in Patent Document 3 includes metal particles having ammonia decomposition ability and a porous material having pores having a diameter smaller than the particle size of the metal particles and in contact with the metal particles. ing. However, as described above, the porous layer formed on the surface of the carrier obtained by the manufacturing method of Patent Document 3 is non-uniform, and it cannot be said that the surface of the carrier is necessarily completely covered. On the other hand, since the surface of the carrier of the present invention is completely coated with a substance having micropores, the effect of the coating can be maximized.
本発明の担持体は、担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）を含む。この担体粒子は、Si、Al、Ti、Mg、P、Ca、Znから選ばれる少なくとも１種類の元素を含む化合物であることが好ましい。但し、本発明における担体粒子は、ゼオライト又はゼオライト類似物質を含まない。ここで、ゼオライトとは、多孔質結晶性アルミノケイ酸塩及びメタロケイ酸塩を指すものとする。また、ゼオライト類似物質とは、前述のゼオライト以外で同様な構造を持つリン酸塩系多孔質結晶などをゼオライト類似物質とする（小野嘉夫・八嶋建明編「ゼオライトの科学と工学」、講談社、2000年7月10日発行）。更に、前述の化合物の中でも比表面積が特に大きい化合物が好ましい。更に、前述の化合物の中でも比表面積が大きい化合物がより好ましい。化合物の具体例としては、シリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、リン酸化物、酸化カルシウム、酸化亜鉛またはこれらの複合酸化物であってもよい。シリカ、アルミナ、チタニア又はこれらの複合酸化物は、シランカップリング剤との相性が良いので、特に好ましい。担体粒子のサイズは、10nm≦サイズ≦100,000nmの範囲にあることが好ましく、10nm≦サイズ≦10,000nmの範囲にあることがより好ましく、10nm≦サイズ≦100nm以下であることが特に好ましい。担体のサイズが前述の範囲にあることで、遷移金属粒子が担体粒子の表面に分散した状態で担持されやすくなる。なお、担体粒子のサイズの測定方法は、実施例に記す。 The support of the present invention includes carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances). The carrier particles are preferably a compound containing at least one element selected from Si, Al, Ti, Mg, P, Ca, and Zn. However, the carrier particles in the present invention do not contain zeolite or zeolite-like substances. Here, zeolite refers to porous crystalline aluminosilicates and metallosilicates. In addition, zeolite-like substances include phosphate-based porous crystals that have a similar structure other than the aforementioned zeolites (Yoshio Ono and Takeaki Yashima, eds., "Science and Engineering of Zeolites", Kodansha, 2000). Published on July 10th). Further, among the above-mentioned compounds, a compound having a particularly large specific surface area is preferred. Further, among the above-mentioned compounds, a compound having a large specific surface area is more preferable. Specific examples of the compound include silica, alumina, titania, magnesia, phosphorous oxide, calcium oxide, zinc oxide, or composite oxides thereof. Silica, alumina, titania, or composite oxides thereof are particularly preferred because they have good compatibility with the silane coupling agent. The size of the carrier particles is preferably in the range 10 nm≦size≦100,000 nm, more preferably in the range 10 nm≦size≦10,000 nm, particularly preferably 10 nm≦size≦100 nm. When the size of the carrier is within the above range, the transition metal particles are easily supported in a dispersed state on the surface of the carrier particles. Note that the method for measuring the size of carrier particles is described in Examples.
本発明の担持体は、遷移金属粒子を含む。この遷移金属粒子は、担体粒子の表面に担持されているので、担体粒子との相互作用の効果を享受できる。この遷移金属粒子は、周期表で第3族元素から第11族元素の間に存在する元素の1種類以上を含む粒子を指すものである。遷移金属粒子の中でも、特に、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osから選ばれる少なくとも１種の元素を含む貴金属粒子であることが好ましい。この貴金属粒子の中でも、Pt、Pd、Rh、Ruから選ばれる少なくとも１種の元素を含む粒子であることが特に好ましい。これらの元素は、例えば、炭化水素の水素化反応に用いる触媒の活性成分として好適である。なお、前述の遷移金属粒子は、金属単体であってもよく、化合物であってもよい。化合物としては、例えば、酸化物でもよく、また配位子を含む錯体であってもよい。また、前述の遷移金属粒子のサイズは、0.3nm≦サイズ≦20nmの範囲にあることが好ましく、0.5nm≦サイズ≦10nmの範囲にあることがより好ましく、1nm≦サイズ≦5nmの範囲にあることが特に好ましい。このサイズが小さいほど、遷移金属粒子の表面積が増加するので、これを触媒の活性成分として用いると高い活性が期待できる。
なお、遷移金属粒子のサイズの測定方法は、実施例に記す。
The support of the present invention contains transition metal particles. Since the transition metal particles are supported on the surface of the carrier particles, they can enjoy the effect of interaction with the carrier particles. The transition metal particles refer to particles containing one or more types of elements existing between Group 3 elements and Group 11 elements in the periodic table. Among transition metal particles, noble metal particles containing at least one element selected from Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os are particularly preferred. Among these noble metal particles, particles containing at least one element selected from Pt, Pd, Rh, and Ru are particularly preferred. These elements are suitable, for example, as active components of catalysts used in hydrocarbon hydrogenation reactions. Note that the above-mentioned transition metal particles may be a single metal or a compound. The compound may be, for example, an oxide or a complex containing a ligand. Further, the size of the transition metal particles described above is preferably in the range of 0.3 nm≦size≦20 nm, more preferably in the range of 0.5 nm≦size≦10 nm, and preferably in the range of 1 nm≦size≦5 nm. is particularly preferred. The smaller the size of the transition metal particles, the larger the surface area of the transition metal particles, so when used as an active component of a catalyst, high activity can be expected.
Note that the method for measuring the size of transition metal particles is described in Examples.
本発明の担持体に含まれる遷移金属粒子の含有量は、0.01質量%≦含有量≦20質量%の範囲にあることが好ましく、0.1質量%≦含有量≦10質量%の範囲にあることがより好ましい。担体粒子のサイズにもよるが、遷移金属粒子の含有量が前述の範囲にあることで、担体粒子の表面を十分に活用することができる。遷移金属粒子の含有量が少なすぎると、例えば、触媒用として用いた場合の触媒活性が低くなりやすい。遷移金属粒子の含有量が多すぎても、担体粒子と遷移金属粒子との接点がそれほど増えず、遷移金属粒子同士が凝集することもあるので好ましくない。 The content of transition metal particles contained in the support of the present invention is preferably in the range of 0.01% by mass≦content≦20% by mass, and preferably in the range of 0.1% by mass≦content≦10% by mass. More preferred. Although it depends on the size of the carrier particles, if the content of the transition metal particles is within the above range, the surface of the carrier particles can be fully utilized. If the content of transition metal particles is too small, the catalytic activity tends to be low when used as a catalyst, for example. Even if the content of the transition metal particles is too large, the number of contact points between the carrier particles and the transition metal particles does not increase significantly, and the transition metal particles may aggregate, which is not preferable.
本発明の担持体の表面は、マイクロ孔を有する物質で完全に被覆されている。この物質は、Siを含む化合物であって、ゼオライトの結晶構造に由来すると思われるマイクロ孔を多く有している。本発明の担持体のＸ線回折パターンからはゼオライトの結晶構造に由来するピークが確認できないので、本発明の担持体に含まれるマイクロ孔を有する物質がゼオライトだとは断言できない。しかし、本発明の担持体の窒素吸着等温線からはゼオライトの結晶構造に由来すると思われるマイクロ孔が多く確認されるので、本発明の担持体に含まれるマイクロ孔を有する物質はゼオライトの前駆体のような物質ではないかと推察される。つまり、本発明の担持体は、Ｘ線回折パターンで検出されない程度の微小なゼオライト粒子で被覆されているともいえる。このマイクロ孔は、窒素吸着法を用いた細孔分布測定によってその有無を観察することができる。また、電子顕微鏡観察によっても、その有無を確認することができる。なお、本発明におけるマイクロ孔とは、直径が2nm以下の細孔を表すものである。 The surface of the support of the invention is completely covered with a material having micropores. This substance is a compound containing Si and has many micropores that are thought to be derived from the crystal structure of zeolite. Since no peak derived from the crystal structure of zeolite can be confirmed from the X-ray diffraction pattern of the support of the present invention, it cannot be determined that the substance having micropores contained in the support of the present invention is a zeolite. However, from the nitrogen adsorption isotherm of the support of the present invention, many micropores, which are thought to be derived from the crystal structure of zeolite, are confirmed. It is speculated that it is a substance similar to . In other words, it can be said that the support of the present invention is coated with zeolite particles so small that they cannot be detected in the X-ray diffraction pattern. The presence or absence of these micropores can be observed by measuring pore distribution using a nitrogen adsorption method. Moreover, the presence or absence can also be confirmed by electron microscopic observation. Note that micropores in the present invention refer to pores with a diameter of 2 nm or less.
本発明の担持体は、窒素吸着法を用いた細孔分布測定によって得られる細孔分布において、直径が0.8nm以下のマイクロ細孔容積（Vmicro）が、0mL/g＜Vmicro＜0.1mL/gの範囲にあることが好ましい。本発明の担持体は、マイクロ孔を有する物質で完全に被覆されているので、この細孔容積も多くなる。なお、この細孔容積には担体粒子に由来するマイクロ孔も含まれるが、本発明の担持体に含まれる担体粒子はこのようなマイクロ孔を多く有するゼオライト又はゼオライト類似物質を含まないので、担体粒子のマイクロ孔に由来する細孔容積は極めて少ない。この細孔容積は、0.01mL/g≦Vmicro≦0.05mL/gの範囲にあることがより好ましい。この細孔容積が多すぎると、本発明の担持体に含まれるマイクロ孔を有する物質も多くなりやすく、その被覆層も厚くなりやすい。マイクロ孔を有する物質の被覆層が厚くなりすぎると、例えば触媒用として用いた場合に被覆層の表面から遷移金属担持体の表面に物質が到達する距離が長くなり、その活性が低下する恐れがある。また、この細孔容積が少なすぎても、遷移金属担持体の表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されないことがある。
なお、窒素吸着法の詳細は、実施例に記す。
In the pore distribution obtained by pore distribution measurement using a nitrogen adsorption method, the support of the present invention has a micropore volume (V micro ) with a diameter of 0.8 nm or less that is 0 mL/g < V micro < 0.1 mL. It is preferably in the range of /g. Since the support of the present invention is completely covered with a material having micropores, the pore volume is also increased. Note that this pore volume also includes micropores originating from the carrier particles, but since the carrier particles contained in the carrier of the present invention do not contain zeolite or zeolite-like substances that have many such micropores, the carrier particles The pore volume derived from the micropores of the particles is extremely small. More preferably, this pore volume is in the range of 0.01 mL/g≦V micro ≦0.05 mL/g. If the pore volume is too large, the amount of substances having micropores contained in the carrier of the present invention tends to increase, and the coating layer thereof also tends to increase in thickness. If the coating layer of a substance with micropores becomes too thick, for example, when used as a catalyst, the distance the substance must reach from the surface of the coating layer to the surface of the transition metal support becomes longer, which may reduce its activity. be. Furthermore, if the pore volume is too small, the surface of the transition metal support may not be completely covered with the substance having micropores.
Note that details of the nitrogen adsorption method are described in Examples.
本発明の担持体に含まれるマイクロ孔を有する物質の被覆層の厚さは、遷移金属粒子の表面から、1nm≦厚さ≦100nmの範囲にあり、1nm≦厚さ≦20nmの範囲にあることがより好ましい。本発明の担持体は、遷移金属担持体の表面が完全に被覆されており、かつその被覆層が薄いという特徴を有している。この被覆層が薄くなると、例えば触媒用として用いた場合に被覆層の表面から遷移金属担持体の表面に物質が到達する距離が短くなり、その活性が低下しにくくなる。
なお、被覆層の厚さの測定方法は実施例に記す。
The thickness of the coating layer of the substance having micropores contained in the support of the present invention is in the range of 1 nm≦thickness≦100 nm from the surface of the transition metal particles, and in the range of 1 nm≦thickness≦20 nm. is more preferable. The support of the present invention is characterized in that the surface of the transition metal support is completely covered and the coating layer is thin. When this coating layer becomes thinner, the distance that a substance reaches from the surface of the coating layer to the surface of a transition metal support becomes shorter when used as a catalyst, for example, and its activity becomes less likely to decrease.
Note that the method for measuring the thickness of the coating layer is described in Examples.
本発明の担持体は、マイクロ孔（直径が2nm以下の細孔）の中でも、直径が0.8nm以下の細孔が均一に存在していることが好ましい。本発明の担持体に含まれるマイクロ孔を有する物質の細孔径がより均一であれば、これを触媒反応等に用いたとき、特定の物質のみを優先して反応させやすくなる。この細孔径が均一であるかどうかは、細孔径より大きい分子サイズの物質と小さい分子サイズの物質を用いた触媒反応を使って判断することができる。本発明では、細孔径より小さい分子サイズの物資を用いたときの触媒反応から得られた転化率と、細孔径より大きい分子サイズの物質を用いたときの触媒反応の比を用いて、細孔径が均一であるかを判断した。具体的には、同一の触媒反応が起こる物質であって、分子サイズが異なる2種類の物質を準備し、分子サイズが小さいほうの物質を反応させた際の転化率（A）が25～65mol%となる反応条件において、分子サイズが大きいほうの物質を反応させた際の転化率（B）を測定し、これらの比（転化率(B)／転化率（A））を均一性の指標とした。本発明では、この比が0.1以下である場合、細孔径が均一であると判断した。例えば、実施例１では、分子サイズが0.59nmであるトルエンを水素化したときの転化率が29mol%となる反応条件で、分子サイズが0.85nmである1,3,5-トリイソプロピルベンゼンを水素化したとき、その転化率が2.8mol%であり、これらの比は0.097であったため、直径が0.8nm以下の細孔が均一に存在していると判断した。 In the support of the present invention, pores with a diameter of 0.8 nm or less are preferably uniformly present among micropores (pores with a diameter of 2 nm or less). If the pore size of the substance having micropores contained in the support of the present invention is more uniform, when the substance is used for a catalytic reaction, it becomes easier to preferentially react only a specific substance. Whether or not the pore diameter is uniform can be determined using a catalytic reaction using a substance with a larger molecular size than the pore diameter and a substance with a smaller molecular size. In the present invention, the conversion rate obtained from the catalytic reaction when using a substance with a molecular size smaller than the pore diameter and the catalytic reaction when using a substance with a molecular size larger than the pore diameter is used to determine the pore size. was determined to be uniform. Specifically, when two types of substances that undergo the same catalytic reaction but with different molecular sizes are prepared, and the substance with the smaller molecular size is reacted, the conversion rate (A) is 25 to 65 mol. %, measure the conversion rate (B) when reacting a substance with a larger molecular size, and use the ratio (conversion rate (B) / conversion rate (A)) as an index of uniformity. And so. In the present invention, when this ratio is 0.1 or less, it is determined that the pore diameter is uniform. For example, in Example 1, 1,3,5-triisopropylbenzene with a molecular size of 0.85 nm was hydrogenated under reaction conditions such that the conversion rate was 29 mol% when toluene with a molecular size of 0.59 nm was hydrogenated. Since the conversion rate was 2.8 mol% and the ratio of these was 0.097, it was determined that pores with a diameter of 0.8 nm or less were uniformly present.
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施範囲に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the scope of implementation thereof.
［実施例１：マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体１］
＜遷移金属担持体を準備する工程＞
純水7240gに塩化白金酸６水和物2.39g（Ptとして0.9g）を溶解した水溶液に、錯化安定剤として濃度1.0質量％のクエン酸三ナトリウム水溶液746gと還元剤として濃度0.1質量%の水素化ホウ素ナトリウム水溶液62.8gとを加え、窒素雰囲気下において20℃で1時間攪拌して、白金の分散液を得た。この分散液を限外濾過膜法洗浄により精製した後濃縮し、金属換算で濃度0.09質量%の白金の分散液を得た。後述の透過型電子顕微鏡を用いた平均粒子径測定によって算出した分散液に含まれる白金のサイズは3.1nmであった。
[Example 1: Transition metal support 1 coated with a substance having micropores]
<Step of preparing transition metal support>
To an aqueous solution of 2.39 g of chloroplatinic acid hexahydrate (0.9 g as Pt) dissolved in 7240 g of pure water, 746 g of a trisodium citrate aqueous solution with a concentration of 1.0% by mass as a complexing stabilizer and with a concentration of 0.1% by mass as a reducing agent were added. 62.8 g of an aqueous sodium borohydride solution was added thereto, and the mixture was stirred at 20° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a platinum dispersion. This dispersion was purified by ultrafiltration membrane washing and then concentrated to obtain a platinum dispersion having a concentration of 0.09% by mass in terms of metal. The size of platinum contained in the dispersion liquid was calculated to be 3.1 nm by average particle size measurement using a transmission electron microscope described below.
この白金の分散液168gに担体粒子（γ-アルミナ）30.2gを加えて、撹拌しながら80℃で溶媒がなくなるまで保持した。ここで得られた粉末を110℃で乾燥した。次に、この粉末を1.6℃/minで300℃まで昇温して5hr保持した。続けて、1.6℃/minで400℃まで昇温して5hr保持して、遷移金属担持体を得た。 30.2 g of carrier particles (γ-alumina) were added to 168 g of this platinum dispersion, and the mixture was kept at 80° C. with stirring until the solvent ran out. The powder obtained here was dried at 110°C. Next, this powder was heated to 300°C at a rate of 1.6°C/min and maintained for 5 hours. Subsequently, the temperature was raised to 400°C at a rate of 1.6°C/min and maintained for 5 hours to obtain a transition metal support.
＜マイクロ孔を有する物質を合成する工程＞
テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド水溶液（濃度：40質量%）120.9gおよびオルトケイ酸テトラエチル139.5gをイオン交換水139.5gに加え、室温で72hr撹拌した。その後、撹拌しながら60℃で168hr熟成し、マイクロ孔を有する物質を含む水溶液を得た。
<Step of synthesizing a substance with micropores>
120.9 g of an aqueous tetrapropylammonium hydroxide solution (concentration: 40% by mass) and 139.5 g of tetraethyl orthosilicate were added to 139.5 g of ion-exchanged water, and the mixture was stirred at room temperature for 72 hours. Thereafter, the mixture was aged at 60° C. for 168 hours with stirring to obtain an aqueous solution containing a substance having micropores.
＜表面処理体を調製する工程＞
前述の工程で得られた遷移金属担持体14.7gをイオン交換水600gに加えて、撹拌した。これに３－アミノプロピルトリメトキシシラン1.03gを加え、70℃に昇温し、表面処理体を含む水溶液を得た。
<Step of preparing surface treated body>
14.7 g of the transition metal support obtained in the above step was added to 600 g of ion-exchanged water and stirred. 1.03 g of 3-aminopropyltrimethoxysilane was added to this, and the temperature was raised to 70°C to obtain an aqueous solution containing the surface treated product.
＜表面処理体の表面をマイクロ孔を有する物質で被覆する工程＞
前述の工程で得られた表面処理体を含む水溶液に前述の工程で得られたマイクロ孔を有する物質を含む水溶液9.4ｇを加えて、70℃で0.5hr保持した。これに前述の工程で得られたマイクロ孔を有する物質を含む水溶液179.4gおよび塩酸水溶液（0.2規定）385.0ｇを一定の速度で16hrかけて加えた。添加終了後、これを70℃で2hr保持した。これをろ過して固形分を回収した。この固形分をイオン交換水で洗浄した後、70℃で乾燥し、粉末を得た。オートクレーブ（内容積100mL）に、イオン交換水12mLを加え、更にこの粉末6.0gをイオン交換水と接触しないように設置した。このオートクレーブを密閉し、100℃で12hr保持した。この後、オートクレーブ中の粉末を取り出し、洗浄、乾燥した。この粉末を1℃/minで550℃まで昇温し、2hr焼成して、マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体を得た。
<Step of coating the surface of the surface-treated body with a substance having micropores>
To the aqueous solution containing the surface-treated material obtained in the above step, 9.4 g of the aqueous solution containing the substance having micropores obtained in the above step was added and held at 70° C. for 0.5 hr. To this were added 179.4 g of the aqueous solution containing the material with micropores obtained in the above step and 385.0 g of an aqueous hydrochloric acid solution (0.2N) at a constant rate over 16 hours. After the addition was completed, this was maintained at 70°C for 2 hours. This was filtered to recover the solid content. This solid content was washed with ion-exchanged water and then dried at 70°C to obtain a powder. 12 mL of ion-exchanged water was added to an autoclave (inner volume: 100 mL), and 6.0 g of this powder was placed so as not to come into contact with the ion-exchanged water. This autoclave was sealed and kept at 100°C for 12 hours. After this, the powder in the autoclave was taken out, washed, and dried. This powder was heated to 550°C at a rate of 1°C/min and fired for 2 hours to obtain a transition metal support coated with a substance having micropores.
［実施例２：マイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体２］
実施例１と同様の方法で遷移金属担持体、マイクロ孔を有する物質を含む水溶液および表面処理体を含む水溶液を調製した。
[Example 2: Transition metal support 2 coated with a substance having micropores]
In the same manner as in Example 1, an aqueous solution containing a transition metal support, a substance having micropores, and an aqueous solution containing a surface treated body were prepared.
＜表面処理体の表面をマイクロ孔を有する物質で被覆する工程＞
前述の工程で得られた表面処理体を含む水溶液にケイ酸ナトリウム水溶液（SiO2換算濃度：24.3質量%、Na2O換算濃度：8.0質量%）0.75gを加えて、70℃で0.5hr保持した。これに前述の工程で得られたマイクロ孔を有する物質を含む水溶液104.6gおよび酸性ケイ酸液646.4gを一定の速度で16hrかけて加えた。添加終了後、これを70℃で2hr保持した。これをろ過して固形分を回収した。その後は、実施例１と同様の方法でマイクロ孔を有する物質で被覆された遷移金属担持体を得た。
なお、この工程で用いた酸性ケイ酸液は、次の方法で調製した。ケイ酸ナトリウム溶液（SiO2換算濃度24.0質量％、SiO2/Na2Oモル比：3.0）をイオン交換水で希釈し、水素型陽イオン交換樹脂が充填されたカラムに通過させ、酸性ケイ酸液（SiO2換算濃度：4.6質量%、pH：2.65）を得た。
<Step of coating the surface of the surface-treated body with a substance having micropores>
Add 0.75 g of sodium silicate aqueous solution (SiO 2 equivalent concentration: 24.3 mass %, Na 2 O equivalent concentration: 8.0 mass %) to the aqueous solution containing the surface treated body obtained in the above step, and hold at 70 ° C for 0.5 hr. did. To this were added 104.6 g of the aqueous solution containing the material with micropores obtained in the above step and 646.4 g of the acidic silicic acid solution at a constant rate over 16 hours. After the addition was completed, this was maintained at 70°C for 2 hours. This was filtered to recover the solid content. Thereafter, a transition metal support coated with a substance having micropores was obtained in the same manner as in Example 1.
Note that the acidic silicic acid solution used in this step was prepared by the following method. A sodium silicate solution (SiO 2 equivalent concentration 24.0 mass%, SiO 2 /Na 2 O molar ratio: 3.0) was diluted with ion-exchanged water and passed through a column packed with a hydrogen-type cation exchange resin. A liquid (SiO 2 equivalent concentration: 4.6% by mass, pH: 2.65) was obtained.
［比較例１：マイクロ孔を有する物質で被覆されていない遷移金属担持体］
実施例１と同様の方法で遷移金属担持体を得た。
[Comparative Example 1: Transition metal support not coated with a substance having micropores]
A transition metal support was obtained in the same manner as in Example 1.
［比較例２：シリカで被覆された遷移金属担持体］
実施例１と同様の方法で、遷移金属担持体を調製した。この遷移金属担持体2.45gをイオン交換水100.0ｇに加えて撹拌し、更に３－アミノプロピルトリメトキシシラン0.042gを加えた。これを撹拌しながら70℃まで昇温し、表面処理体を含む水溶液を得た。
[Comparative Example 2: Transition metal support coated with silica]
A transition metal support was prepared in the same manner as in Example 1. 2.45 g of this transition metal support was added to 100.0 g of ion-exchanged water and stirred, and further 0.042 g of 3-aminopropyltrimethoxysilane was added. This was heated to 70° C. while stirring to obtain an aqueous solution containing the surface-treated material.
＜表面処理体の表面をシリカで被覆する工程＞
前述の工程で得られた表面処理体を含む水溶液にケイ酸ナトリウム水溶液（SiO2換算濃度：24.3質量%、Na2O換算濃度：8.0質量%）1.68gを加えて、70℃で0.5hr保持した。これに実施例２と同様の方法で調製した酸性ケイ酸液45.2gを一定の速度で16hrかけて加えた。添加終了後、これを70℃で2hr保持した。これをろ過して固形分を回収した。この固形分をイオン交換水で洗浄した後、70℃で乾燥し、粉末を得た。この粉末を0.5℃/minで500℃まで昇温し、2hr焼成して、シリカで被覆された遷移金属担持体を得た。
<Step of coating the surface of the surface-treated body with silica>
Add 1.68 g of sodium silicate aqueous solution (SiO 2 equivalent concentration: 24.3 mass %, Na 2 O equivalent concentration: 8.0 mass %) to the aqueous solution containing the surface treated body obtained in the above step, and hold at 70 ° C for 0.5 hr. did. 45.2 g of an acidic silicic acid solution prepared in the same manner as in Example 2 was added to this at a constant rate over 16 hours. After the addition was completed, this was maintained at 70°C for 2 hours. This was filtered to recover the solid content. This solid content was washed with ion-exchanged water and then dried at 70°C to obtain a powder. This powder was heated to 500°C at a rate of 0.5°C/min and fired for 2 hours to obtain a transition metal support coated with silica.
［比較例３：マイクロ孔を有する物質を含む遷移金属担持体］
オルトケイ酸テトラエチル4.2g、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド水溶液（濃度：40質量%）5.2g、エタノール9.2ml、イオン交換水36.4ｇをオートクレーブ（内容積100mL）に充填し、55℃で30min撹拌した。その後、実施例１と同様の方法で調製した遷移金属担持体2.0 gを加えて密封し、180℃で24hr保持した。これをろ過して固形分を回収した。この固形分をイオン交換水で洗浄した後、120℃で乾燥し、粉末を得た。この粉末を0.5℃/minで500℃まで昇温し、5hr焼成して、マイクロ孔を有する物質を含む遷移金属担持体を得た。
[Comparative Example 3: Transition metal support containing a substance having micropores]
An autoclave (inner volume: 100 mL) was filled with 4.2 g of tetraethyl orthosilicate, 5.2 g of an aqueous tetrapropylammonium hydroxide solution (concentration: 40% by mass), 9.2 ml of ethanol, and 36.4 g of ion-exchanged water, and stirred at 55° C. for 30 minutes. Thereafter, 2.0 g of a transition metal support prepared in the same manner as in Example 1 was added, sealed, and maintained at 180°C for 24 hours. This was filtered to recover the solid content. This solid content was washed with ion-exchanged water and then dried at 120°C to obtain a powder. This powder was heated to 500°C at a rate of 0.5°C/min and fired for 5 hours to obtain a transition metal support containing a substance having micropores.
［参考例：ゼオライト］
市販のＮＨ4型ＭＦＩゼオライトを準備した。
[Reference example: Zeolite]
A commercially available NH 4 type MFI zeolite was prepared.
前述の実施例、比較例および参考例について、以下の方法で測定した。その結果を、表１に示した。 The above-mentioned Examples, Comparative Examples, and Reference Examples were measured by the following method. The results are shown in Table 1.
［透過型電子顕微鏡測定：担体粒子のサイズ、遷移金属粒子のサイズ、被覆状態、被覆層厚さ］
透過型電子顕微鏡（ＨＦ－２２００、日立ハイテクノロジーズ製、および、ＪＥＭ－２１００、日本電子製 ）を用いて前述の実施例１、２、比較例１、２、３で用いた白金の分散液および得られたサンプル中の遷移金属粒子を観察した。複数の画像から、100個の遷移金属粒子について、その粒子径dをそれぞれ測り、これを平均したものを遷移金属粒子のサイズDとしたなお、粒子径dは，次の式（１）によって算出した。
d=(Ll + Ls)/2 ・・・・・・（１）
d：遷移金属粒子の粒子径（nm）
Ll：遷移金属粒子の長径（nm）
Ls：遷移金属粒子の短径（nm）
ここで、遷移金属粒子の長径とは、遷移金属粒子の外縁と外縁を結ぶ最も長い直線の長さとし、遷移金属粒子の短径とは、前述の直線の中点を通り遷移金属粒子の外縁と外縁を結ぶ最も短い直線の長さとした。
担体粒子についても、走査型電子顕微鏡を用いて観察した担体粒子を同様にして測り、式（１）から粒子径を算出した。
更に、前述の実施例１、２、比較例１、２、３のサンプルについて、その被覆状態を観察した。なお、本発明では、10個の遷移金属担持体について被覆状態を観察し、その表面に遷移金属粒子が露出していない遷移金属担持体が9個以上あれば、その表面が完全に被覆されているものとみなした。これと併せて、10個の遷移金属担持体に含まれる遷移金属粒子の表面から被覆層の表面までで最も短い距離を測定し、その平均値を被覆層の厚さとした。
[Transmission electron microscopy measurement: carrier particle size, transition metal particle size, coating state, coating layer thickness]
Using a transmission electron microscope (HF-2200, manufactured by Hitachi High-Technologies, and JEM-2100, manufactured by JEOL Ltd.), the platinum dispersions used in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2 and 3 and The transition metal particles in the obtained sample were observed. The particle diameter d of 100 transition metal particles was measured from multiple images, and the average value was defined as the transition metal particle size D. The particle diameter d was calculated using the following formula (1). did.
d=(Ll + Ls)/2 ・・・・・・(1)
d: Particle diameter of transition metal particles (nm)
Ll: Long axis of transition metal particles (nm)
Ls: Short diameter of transition metal particles (nm)
Here, the major axis of the transition metal particle is the length of the longest straight line connecting the outer edges of the transition metal particle, and the minor axis of the transition metal particle is the length of the longest straight line connecting the outer edges of the transition metal particle, and the short axis of the transition metal particle is the length of the longest line connecting the outer edges of the transition metal particle. The length of the shortest straight line connecting the outer edges was taken as the length.
Regarding carrier particles, carrier particles observed using a scanning electron microscope were measured in the same manner, and the particle diameter was calculated from equation (1).
Furthermore, the coating states of the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2, and 3 described above were observed. In addition, in the present invention, the coating state of 10 transition metal supports is observed, and if there are 9 or more transition metal supports with no exposed transition metal particles on the surface, the surface is completely coated. It was considered that there was. In conjunction with this, the shortest distance from the surface of the transition metal particles contained in the 10 transition metal supports to the surface of the coating layer was measured, and the average value was taken as the thickness of the coating layer.
［窒素吸着法を用いた細孔分布測定］
前述の実施例１、２、比較例１、２、３で得られたサンプルおよび参考例のサンプルについて、以下の条件で窒素吸着法による細孔分布測定を行った。
測定方法 窒素吸着法
測定装置 ＢＥＬ ＳＯＲＰ－ｍｉｎｉII（マイクロトラック・ベル株式会社製）
サンプル量 約0.05g
前処理 500℃、1時間（真空下）
相対圧範囲 0～1.0
Ｖmicro t-plot法でt=0.3-0.4nmの傾きに沿って直線を引き、そのy軸切片から直径が0.8nm以下のマイクロ細孔容積を算出した
また、ここで得られた窒素吸着等温線を図７に示す。
[Pore distribution measurement using nitrogen adsorption method]
The samples obtained in Examples 1 and 2, Comparative Examples 1, 2, and 3 and the sample of Reference Example were subjected to pore distribution measurement using a nitrogen adsorption method under the following conditions.
Measuring method Nitrogen adsorption method Measuring device BEL SORP-miniII (manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.)
Sample amount approximately 0.05g
Pretreatment 500℃, 1 hour (under vacuum)
Relative pressure range 0 to 1.0
A straight line was drawn along the slope of t=0.3-0.4nm using the V micro t-plot method, and the volume of micropores with a diameter of 0.8nm or less was calculated from the y-axis intercept.Also, the nitrogen adsorption isotherm obtained here The lines are shown in FIG.
［Ｘ線回折測定］
前述の実施例１、２、比較例１、２、３で得られたサンプルおよび参考例のサンプルについて、以下の条件でＸ線回折測定を行った。結果を図８に示す。
装置 MiniFlex（株式会社リガク製）
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=50°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 10.000°/min
[X-ray diffraction measurement]
X-ray diffraction measurements were performed on the samples obtained in Examples 1 and 2, Comparative Examples 1, 2, and 3, and the Reference Example samples under the following conditions. The results are shown in FIG.
Equipment MiniFlex (manufactured by Rigaku Co., Ltd.)
Operation axis 2θ/θ
Source CuKα
Measurement method Continuous method Voltage 40kV
Current 15mA
Starting angle 2θ=5°
End angle 2θ=50°
Sampling width 0.020°
Scan speed 10.000°/min
［組成分析］
前述の実施例１、２、比較例１、２、３で得られたサンプルおよび参考例のサンプルについて、以下の条件で組成分析を行った。
ジルコニウムルツボにサンプル約0.2ｇを採取し、過酸化ナトリウム2ｇ、水酸化ナトリウム1ｇを加えて熔融し、塩酸50ｍLと水で溶解した後、得られた溶液を500mLのメスフラスコを用いて水でメスアップして、試料溶液とした。この試料溶液を用いてＩＣＰ装置（ＩＣＰＳ－８１００、島津製）でＰｔの濃度を測定した。この試料溶液10ｍLを採取し、塩酸4ｍLを加えて100ｍLに希釈した溶液を使用して、ICP装置でAl、Si、Ptの濃度を測定した。
サンプルを1000℃で焼成した前後の重量と前述の濃度から、水分等を含まない状態のサンプルのPt、Al、Siの含有量をそれぞれPt、Al2O3、SiO2換算で算出した。
[Composition analysis]
Composition analysis was performed on the samples obtained in Examples 1 and 2, Comparative Examples 1, 2, and 3, and the sample of Reference Example under the following conditions.
Approximately 0.2 g of sample was collected in a zirconium crucible, 2 g of sodium peroxide and 1 g of sodium hydroxide were added, melted, and dissolved in 50 mL of hydrochloric acid and water. The resulting solution was diluted with water using a 500 mL volumetric flask. This was used as a sample solution. Using this sample solution, the concentration of Pt was measured with an ICP device (ICPS-8100, manufactured by Shimadzu). 10 mL of this sample solution was collected, diluted to 100 mL by adding 4 mL of hydrochloric acid, and the concentrations of Al, Si, and Pt were measured using an ICP device.
The contents of Pt, Al, and Si in the sample without moisture were calculated in terms of Pt, Al 2 O 3 , and SiO 2 , respectively, from the weights before and after firing the sample at 1000° C. and the above-mentioned concentrations.
［水素化パルス反応］
前述の実施例１、２、比較例１、２、３で得られたサンプルについて、以下の条件で水素化パルス反応を行った。
反応管に20mg～128mg(サンプル中のPtが0.1mgとなる重量)のサンプルを充填し、水素ガス(20ml/min)を流通しながら、大気圧下450℃まで昇温して1hr保持し、触媒を還元した。その後、大気圧下で水素ガス(137ml/min)を流通させて温度を200℃にし、0.5μLのトルエンまたは1,3,5-トリイソプロピルベンゼン(TIPB)を導入した。反応器出口のガスをガスクロマトグラフィー（GC-2014、島津製作所製）により分析した。
トルエンの水素化生成物としてメチルシクロヘキサンが、1,3,5-TIPBの水素化生成物として1,3,5-トリイソプロピルシクロヘキサンが得られた。各反応物の転化率を以下の式により算出した。
トルエン転化率（mol％）＝100-［（未反応トルエン(mol)／(未反応トルエン(mol)＋メチルシクロヘキサン(mol))］×100
1,3,5-TIPB転化率（mol％）＝100-［（未反応1,3,5-TIPB(mol)／(未反応1,3,5-TIPB(mol)＋1,3,5-トリイソプロピルシクロヘキサン(mol)）］×100
トルエンの分子サイズは0.59nm(S. Kulprathipanja, "Zeolites in Industrial Separation and Catalysis", 1st ed. (2010) John Wiley & Sons, p33. から引用)、1,3,5-TIPBの分子サイズは0.85nm (E.E. McLeary, J.C. Jansen, F. Kapteijn , Microporous and Mesoporous Materials, Volume 90(2006), p.198-220から引用)である。
[Hydrogenation pulse reaction]
The samples obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2, and 3 described above were subjected to a hydrogenation pulse reaction under the following conditions.
A reaction tube was filled with 20 mg to 128 mg of sample (the weight at which Pt in the sample was 0.1 mg), and while flowing hydrogen gas (20 ml/min), the temperature was raised to 450 °C under atmospheric pressure and maintained for 1 hour. The catalyst was reduced. Thereafter, hydrogen gas (137 ml/min) was passed under atmospheric pressure to raise the temperature to 200°C, and 0.5 μL of toluene or 1,3,5-triisopropylbenzene (TIPB) was introduced. The gas at the reactor outlet was analyzed by gas chromatography (GC-2014, manufactured by Shimadzu Corporation).
Methylcyclohexane was obtained as a hydrogenation product of toluene, and 1,3,5-triisopropylcyclohexane was obtained as a hydrogenation product of 1,3,5-TIPB. The conversion rate of each reactant was calculated using the following formula.
Toluene conversion rate (mol%) = 100 - [(unreacted toluene (mol) / (unreacted toluene (mol) + methylcyclohexane (mol))] × 100
1,3,5-TIPB conversion rate (mol%) = 100-[(unreacted 1,3,5-TIPB(mol)/(unreacted 1,3,5-TIPB(mol)+1,3,5- Triisopropylcyclohexane (mol)]×100
The molecular size of toluene is 0.59 nm (quoted from S. Kulprathipanja, "Zeolites in Industrial Separation and Catalysis", 1st ed. (2010) John Wiley & Sons, p33.), and the molecular size of 1,3,5-TIPB is 0.85. nm (quoted from EE McLeary, JC Jansen, F. Kapteijn, Microporous and Mesoporous Materials, Volume 90(2006), p.198-220).
［各種測定結果からの考察］
電子顕微鏡観察の結果から、実施例１で得られた担持体は、その表面がマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されており、遷移金属粒子が表面に露出していないことが確認された（図４）。また、その被覆層の厚さが3nmと極めて薄いことも確認された。
窒素吸着測定の結果から、実施例１、２で得られた担持体は、マイクロ孔を有する物質で被覆されていない比較例１と比較して、直径が0.8nm以下のマイクロ孔細孔容積が格段に多くなっていることが確認された（図７）。これは、実施例１、２の表面に形成されたマイクロ孔を有する物質の被覆層に由来するものと考えられる。実施例１、２に含まれるマイクロ孔を有する物質が少ない（被覆層が薄い）ことを考慮すれば、実施例１、２の担持体の直径が0.8nm以下のマイクロ孔細孔容積は、市販のゼオライト（参考例）と比べても遜色がないレベルである。
X線回折測定の結果から、実施例１、２の担持体は、ゼオライトに由来するピークを有していないことが確認された（図８）。しかし、前述の窒素吸着測定の結果から、市販のゼオライトと遜色ないレベルのマイクロ細孔容積が確認されている。したがって、本発明の担持体表面を被覆しているマイクロ孔を有する物質は、ゼオライトの前駆体またはごく微小なゼオライトのような物質ではないかと考えられる。
[Considerations from various measurement results]
From the results of electron microscopy observation, it was confirmed that the surface of the support obtained in Example 1 was completely covered with a substance having micropores, and no transition metal particles were exposed on the surface ( Figure 4). It was also confirmed that the thickness of the coating layer was extremely thin at 3 nm.
From the results of nitrogen adsorption measurements, the pore volume of micropores with a diameter of 0.8 nm or less was found to be higher in the carriers obtained in Examples 1 and 2 than in Comparative Example 1, which was not coated with a substance having micropores. It was confirmed that the number of cases has increased significantly (Figure 7). This is considered to be due to the coating layer of the material having micropores formed on the surface of Examples 1 and 2. Considering that Examples 1 and 2 contained fewer substances with micropores (thin coating layer), the pore volume of micropores with a diameter of 0.8 nm or less in the carriers of Examples 1 and 2 was lower than that of commercially available This level is comparable to that of zeolite (reference example).
From the results of X-ray diffraction measurements, it was confirmed that the supports of Examples 1 and 2 did not have a peak derived from zeolite (FIG. 8). However, from the results of the nitrogen adsorption measurement mentioned above, it has been confirmed that the micropore volume is comparable to that of commercially available zeolites. Therefore, it is considered that the material having micropores that coats the surface of the support of the present invention is a zeolite precursor or a very fine zeolite-like material.
比較例１で得られた担持体は、被覆層を有しない担持体である。比較例２で得られた担持体は、構造規定剤を用いない方法で調製された担持体である。この担持体は表面がシリカで完全に被覆されており、遷移金属粒子が表面に露出していないことが電子顕微鏡観察によって確認されたが、窒素吸着測定の結果から、マイクロ孔を有してなかった。
比較例３で得られた担持体は、アミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理する工程を用いない方法で調製された担持体である。この担持体は、マイクロ孔を有する物質を表面に形成する工程で遷移金属粒子が溶出し、担持体中の遷移金属量が大幅に減少した。この担持体の表面はマイクロ孔を有する物質で完全に被覆されておらず、5μｍ程度の大きさのゼオライト（マイクロ孔を有する物質）とサブミクロンの担持体とが分離して存在していることが電子顕微鏡観察によって確認された（図６）。X線回折測定の結果から、比較例３の担持体は、MFIゼオライトに由来するピークを有しており（図８）、窒素吸着測定の結果から、マイクロ孔を有していることが確認された。
The carrier obtained in Comparative Example 1 is a carrier without a coating layer. The support obtained in Comparative Example 2 is a support prepared by a method that does not use a structure-directing agent. It was confirmed by electron microscopy that the surface of this support was completely covered with silica and no transition metal particles were exposed on the surface, but the results of nitrogen adsorption measurements showed that it did not have micropores. Ta.
The support obtained in Comparative Example 3 was prepared by a method that did not involve surface treatment with a silane coupling agent having an amino group. In this support, transition metal particles were eluted during the process of forming a material having micropores on the surface, and the amount of transition metal in the support was significantly reduced. The surface of this carrier is not completely covered with a substance that has micropores, and the zeolite (a substance that has micropores) with a size of about 5 μm and the submicron carrier exist separately. was confirmed by electron microscopy (Fig. 6). The results of X-ray diffraction measurements showed that the support of Comparative Example 3 had a peak derived from MFI zeolite (Figure 8), and the results of nitrogen adsorption measurements confirmed that it had micropores. Ta.
実施例１、２で得られた担持体は、分子サイズが0.59nmであるトルエンをよく水素化し、分子サイズが0.85nmである1,3,5-TIPBをほとんど水素化できなかった。これに対し、被覆層を有さない比較例１は、トルエン、1,3,5-TIPBの両方をよく水素化した。また、マイクロ孔を有さないシリカで被覆された比較例２は、トルエン、1,3,5-TIPBの両方を水素化できなかった。更に、マイクロ孔を有する物質で完全に被覆されていない比較例３の担持体は、比較例１と同様にトルエン、1,3,5-TIPBの両方をよく水素化した。この結果から、実施例１、２で得られた担持体は、分子サイズが0.8nm以下の物質を選択的に水素化できることが確認された。また、トルエンおよび1,3,5-TIPBの転化率の比がいずれも0.1以下であったことから、実施例１、２で得られた担持体は、直径が0.8nm以下の均一な細孔を有していると判断した。 The supports obtained in Examples 1 and 2 could well hydrogenate toluene with a molecular size of 0.59 nm, but could hardly hydrogenate 1,3,5-TIPB with a molecular size of 0.85 nm. On the other hand, Comparative Example 1, which did not have a coating layer, hydrogenated both toluene and 1,3,5-TIPB well. Furthermore, Comparative Example 2 coated with silica without micropores was unable to hydrogenate both toluene and 1,3,5-TIPB. Furthermore, the support of Comparative Example 3, which was not completely coated with the substance having micropores, hydrogenated both toluene and 1,3,5-TIPB well as in Comparative Example 1. From this result, it was confirmed that the supports obtained in Examples 1 and 2 can selectively hydrogenate substances with a molecular size of 0.8 nm or less. In addition, since the conversion ratios of toluene and 1,3,5-TIPB were both 0.1 or less, the supports obtained in Examples 1 and 2 had uniform pores with a diameter of 0.8 nm or less. It was determined that the
Claims (8)
［１］担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体を準備する工程。
［２］Si原料と構造規定剤とを混合してマイクロ孔を有する物質を準備する工程
［３］前記遷移金属担持体の表面をアミノ基を有するシランカップリング剤で表面処理して、表面処理体を調製する工程。
［４］前記表面処理体と前記マイクロ孔を有する物質とを酸溶液を添加した水溶液中で混合することによって、前記表面処理体の表面を前記マイクロ孔を有する物質で被覆する工程。 A method for producing a transition metal support coated with a substance having micropores (excluding substances containing an X-ray diffraction peak derived from the crystal structure of zeolite), including the steps [1] to [4] below. .
[1] A step of preparing a transition metal carrier in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances).
[2] A step of preparing a substance having micropores by mixing a Si raw material and a structure-directing agent. [3] Surface treatment of the surface of the transition metal support with a silane coupling agent having an amino group. The process of preparing the body.
[4] A step of coating the surface of the surface-treated body with the substance having micropores by mixing the surface-treated body and the substance having micropores in an aqueous solution containing an acid solution .
［Ａ］担体粒子（但し、ゼオライト又はゼオライト類似物質を除く。）の表面に遷移金属粒子が担持された遷移金属担持体を含む。
［Ｂ］前記遷移金属担持体の表面が前記マイクロ孔を有する物質で完全に被覆されている。
［Ｃ］前記マイクロ孔を有する物質が、Siを含む化合物である。
［Ｄ］前記マイクロ孔を有する物質で形成された被覆層の厚さが、1nm≦厚さ≦100nmの範囲にある。 A transition metal support coated with a substance having micropores (excluding substances containing an X-ray diffraction peak derived from the crystal structure of zeolite), having the following configurations [A] to [D].
[A] Contains a transition metal carrier in which transition metal particles are supported on the surface of carrier particles (excluding zeolite or zeolite-like substances).
[B] The surface of the transition metal support is completely covered with the substance having micropores.
[C] The substance having micropores is a compound containing Si.
[D] The thickness of the coating layer formed of the material having micropores is in the range of 1 nm≦thickness≦100 nm.
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